河西绿洲灌区垄作春小麦的产量效应及节水效果研究

河西绿洲灌区垄作春小麦的产量效应及节水效果研究

张立勤　马忠明　曹诗瑜　连彩云　徐生明

（甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所甘肃兰州730070）

摘要：在甘肃河西绿洲灌区，对春小麦在垄作和平作两种栽培方式下的产量和水分利用效率进行了对比研究，结果表明，垄作栽培方式有较好的增产、节水、增温效应，与对照平作栽培相比，5～10cm土层地温提高1.41℃；在相同的灌溉定额下，春小麦千粒重增加2.45～3.31g，穗粒数增加5.33～8.02粒，增产471～1371kg/hm²，水分利用效率提高0.6～4.7kg/(mm·hm²)，垄作栽培条件下春小麦适宜灌溉定额为360mm，与对照相比，节水75mm，与当地大田灌溉定额540mm相比，节水180mm，节水效果十分显著。

关键词：垄作；春小麦；产量；地温；水分利用效率

甘肃河西走廊不仅是全国十二大商品粮基地之一，也是全国小麦单产较高的地区之一^[1]，春小麦是该区主要的粮食作物，常年播种面积3×10³hm²，占甘肃省春小麦播种面积的45%左右^[2]，其产量水平的高低和生产情况的稳定与否，对河西农业的发展乃至我国西北地区的粮食安全有重大影响；但河西走廊地处我国西北干旱区，多年平均降雨量不超过200mm，而蒸发量高达1500～2500mm^[3]，依靠祁连山雪水和地下水进行灌溉，是该区农业得以生存和发展的基本保证，水资源严重短缺也一直是制约该区农业及经济发展的瓶颈。近年来，随着祁连山雪线的上升和内蒙生态用水的介入，区内工农业用水矛盾、不同季节及不同作物之间的用水矛盾日趋激烈，对春小麦生产形成潜在威胁。进行春小麦垄作栽培技术研究，旨在实现春小麦节水高效栽培，对河西地区春小麦生产及现代节水农业发展意义重大。

1　试验材料及方法

1.1　试验地概况

试验于2003—2004年在甘肃省张掖市甘州区党寨镇七号村试验站进行，试验站属于大满灌区，位于东经100°10′～100°35′，北纬38°50′～39°09′，海拔1490m，多年平均气温5～8℃，≥10℃的活动积温3234.3℃，平均降雨量139.2mm，蒸发量2291mm，地下水埋深18～23m，地下水位年变幅1.0m左右，土壤以灌漠土为主，容重1.39g/cm³，肥力中等，土壤有机质含量为17.98g/kg，全氮0.77g/kg，全磷0.1413g/kg，全钾13.97g/kg，pH值为8.5。

注：本文发表于《中国农村水利水电》，2009，（3）：63～65/69页.

1.2　试验方法

试验采用随机区组设计，垄作栽培（raised bed planting，简称RBP）设210mm，285mm 360mm和435mm四个灌水量水平，灌水方式为沟灌不漫垄，每一灌水量水平均设平作栽培（flat planting，简称FP）为对照，灌水方式为漫灌。每年冬灌前对试验地抄平，并依据抄平结果进行平整。垄作栽培的种植模式（图1）：垄宽50cm，垄高20cm，沟宽25cm，垄上种植四行小麦，行距1 5cm，播量为675万粒/hm²，各处里施肥量同一，分别为纯N180kg/hm²，P₂O₅150kg/hm²，于播种前一次性施入。在春小麦生育期内灌水四次，分别于三叶、拔节、抽穗、灌浆中期进行，各次灌水定额分别为总灌水量的25%、25%、30%、20%，水表量水灌溉，入沟流量为2.5L·S^-1，小区面积4m×4m=16m²重复3次。试验指示品种为陇辐2号。

图1　春小麦垄作栽培模式图

Fig 1　The pattern picture of raised bed p lating for spring wheat

1.3　测定项目和方法

1.3.1　地温

播种后用曲杆地温计对垄作与平作处理5cm、10cm、15cm、20cm和25cm土层的地温进行观测，观测时间为每日8时、10时、12时、14时、16时、18时和20时。

1.3.2　土壤水分

在春小麦播种期和成熟期各测定1次，以对角线法确定测点位置，对照FP处理每小区确定3个测点，RBP处理每小区分别在垄面正中和垄沟底部各确定3个测点，土钻取土，用烘干法进行测定。测定深度为120cm，测定层次为0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm。0～120cm测定值加权平均。

1.3.3　产量

春小麦成熟后对各小区进行单打单收，分区考种计产。

1.3.4　作物生育期耗水量

由田间水分平衡方程式ET=P+I+G±△W计算，式中：ET为春小麦生育期耗水量，mm；P为播种至收获期有效降水量mm；I为生育期灌水量，mm；G为作物利用地下水量，mm，由于试验地地下水埋深18m以上，因此取G=0；△W为播种—收获期0～120cm土层土壤贮水量的变化，具体按公式△W=（播种前体积含水量-收获后体积含水量）×1200mm计算。水分利用效率WUE=Y/ET，式中：Y为作物籽粒产量kg，ET为春小麦生育期耗水量。

1.3.5　用SPSS软件对所得数据进行方差分析和回归分析。

2　结果与分析

2.1　垄作栽培方式的增温效应

不同栽培方式下，白天不同时段0～10cm土层地温与气温均呈显著正相关，并可用指数型方程Y=a.e^bx（R²＞0.9）进行拟合，方程中a、b值因气温变化范围、栽培方式、土层深度的不同而不同。土层深度超过10cm继续增大时，气温对地温变化的影响力减弱。垄作栽培方式有利于扩大土壤表面积、增加土壤对光能的截获量^[4]；与对照平作栽培相比，白天0～10cm土层平均地温提高1.41℃（图2），不同时段0～25cm土层平均地温较平作增加1.1℃，与平作栽培方式之间的温差呈先增加后降低的变化趋势（图3），8时后随时间推移逐渐增大，在16时达最大值，16时后又呈逐渐下降趋势。灌溉方式对耕层土壤地温也有影响，沟灌扩大了垄作栽培方式10cm以上土层的增温效应，分析其原因主要和灌溉水的运移方式和土壤含水量的高低有关，沟灌条件下，灌溉水主要以侧渗方式进入垄体，而漫灌后灌溉水自上往下入渗，因此，灌水后土壤表层含水量相对较高，地温下降幅度相对较大。上述结果共同表明，垄作栽培有利于提高耕层土壤地温，具有明显的增温效果。这对弱化河西绿洲灌区早春低温与春小麦生长之间的矛盾、促进春小麦出苗、壮苗以及根系早发快长、多生根、深扎根和吸收功能提高都有积极影响^[5]。

图2　不同栽培方式下5～10cm土层地温变化

Fig 2 The change of 5～10cm layer soil temperature for different cultivation methods

图3　不同栽培方式下5～25cm土层地温日变化（5.1～5.31）

Fig 3　The change of 5～25cm layer soil temperature for different cultivation methods in May（1^st～31^th）

2.2　垄作栽培方式的产量效应

2.2.1　垄作栽培方式的增产效果

在相同灌溉定额条件下，春小麦垄作栽培后产量均显著高于对照平作栽培（表1），与平作栽培相比，增产471～1371kg/hm²，增幅7.18%～28.84%。增产效应随灌溉水平的降低而加强（表3），当灌溉定额为435mm时，与对照平作栽培之间的产量差异不显著，当灌溉定额在360～210mm范围变化并逐渐降低时，与平作栽培方式之间的产量差异逐渐增大，并且达显著水平。表明垄作栽培后，春小麦对灌溉水的利用更加优化，土壤水分对春小麦产量的贡献率提高。因此，在一定范围内，适度降低田间灌溉定额、减少农田输配水量，充分发挥春小麦垄作栽培后的增产效应，无疑是一条如何在灌溉水严重短缺条件下维持和发展春小麦生产的有效途径。

2.2.2　栽培方式对春小麦产量构成要素的影响

垄作栽培后，田间通风透光条件改善，生长发育环境优化，更加有利于春小麦个体发育；同时，垄作栽培方式的增温效应，不仅为春小麦前期营养生长创造了有利条件，也为后期生殖生长奠定了良好的基础。在以上因素的共同作用下，春小麦垄作栽培后的千粒重和穗粒数均显著高于对照平作栽培（表2），与同灌溉水平的对照相比，千粒重增加2.45～3.31g，穗粒数增加5.33～8.02粒，保证了春小麦垄作栽培后产量优势的正常发挥。值得注意的是，表2中垄作各处理成穗数都处在相对较低水平，对春小麦增产明显不利，在一定程度上弱化了垄作春小麦的增产效果。其主要原因是由于垄作栽培后田间播种面积相对减少，出苗率不高、基本苗数偏低，从而影响了田间成穗数。

表1　不同栽培条件下春小麦产量对比（2004.甘肃张掖）

Table 1　The comparison of yield under different cultivation methods（2004 Gansu.Zhangye）

表2　栽培方式对春小麦产量构成要素的影响（2004甘肃张掖）

Table 2　The effect on yield parameter for different cultivation mathods（2004 Gansu Zhangye）

2.3　垄作栽培方式的节水效果

2.3.1　不同栽培方式下春小麦水分利用效率

在垄、平两种栽培方式下，随灌溉定额的增加，春小麦水分利用效率均呈先增大后变小的变化趋势（表3），灌溉定额在210～360mm范围内变化并逐将增大时，水分利用效率也随之增大，并在360mm时达最大值，继续增加灌溉定额，灌溉水对春小麦产量的贡献率降低，水分利用效率反而下降。值得注意的是，在相同的灌溉水平下，垄作春小麦水分利用效率均高于对照平作栽培，并且二者之间的差异极显著。2003～2004连续两年的研究结果表明，垄作栽培后春小麦水分利用效率分别较平作栽培提高0.6～3.9kg/(mm·hm²)（2003）和2.0～4.7kg/(mm·hm²)（2004），节水效应十分明显。

表3　栽培方式对春小麦水分利用效率的影响

Table 3　The effect on water use efficiency for spring wheat under different cultivation methods

2.3.2　垄作栽培方式的节水效果

两年度研究结果均表明，在垄作栽培条件下，当灌水量超过360mm继续增大时，春小麦增产效果不再明显，但灌溉定额偏高造成水分利用效率显著下降（表3）。同时，灌溉定额为360mm的垄作栽培处理与相同灌溉水平的平作栽培处理相比，增产610.5～772.5kg/hm²，水分利用效率提高1.3～2.5kg/(mm·hm²)；与灌溉定额为435mm的平作栽培处理相比，增产108.0～472.5kg/ hm²，水分利用效率提高3.9kg/(mm·hm²)。因此，可将360mm作为春小麦垄作栽培的适宜灌溉定额，该灌溉定额与平作灌溉定额为435mm的处理相比，节约灌溉用水75mm，与当地平作大田灌溉量540mm相比，节水180mm，节水效果十分显著。

对比分析两种栽培方式下产量与灌溉定额之间的回归方程不难发现（图4），在垄作栽培方式下，当灌溉定额达417.08mm时，春小麦产量达最大值，而在平作栽培方式下，春小麦产量达最高时所需灌溉定额的临界值为624.81mm，此结果表明，在春小麦产量水平达最高时，垄作栽培条件下所需的灌溉水定额要远低于对照平作栽培，这从另一方面也说明垄作栽培方式具有较好的节水效果。

图4　不同栽培方式下春小麦产量对比（2004）

Fig 4　The comparison of yield for different cultivation methods（2004）

2.4　垄作春小麦节水增产效果印证

2005年度分别在甘肃省农科院张掖节水农业试验站和张掖市甘州区党寨镇七号村对垄作春小麦的节水增产结果进行了小面积中试验证，在张掖节水农业试验站种植垄作春小麦0.21hm²，平均单产6465kg/hm²，比对照平作栽培产量5840.03kg/hm²增产624.98kg/hm²，增幅10.71%，节水185mm；在七号村种植垄作春小麦0.3hm²，平均产量6171.9kg/hm²，比对照平作栽培产量4857.0kg/hm²增加1314.9kg/hm²，增幅27.07%，节水约210mm，表现出较好的节水增产效果。

3　结语

（1）春小麦垄作栽培后5～10cm土层地温提高1.41℃，增温效应有利于河西地区春小麦在早春低温期出苗及出苗后的壮苗早发，对提高春小麦产量具有积极影响。

（2）千粒重和穗粒数增加是垄作春小麦增产的主要因素，与相同灌溉定额下的平作栽培相比，垄作春小麦千粒重增加2.45～3.31g，穗粒数增加5.33～8.02粒，增产471～1371kg/hm²。增产效应随灌溉定额的降低而增大。

（3）春小麦垄作栽培后水分利用效率提高0.6～4.7kg/(mm·hm²)，产量达最大值时所需的灌溉水定额低于对照平作栽培。

（4）春小麦垄作栽培适宜灌溉定额为360mm，与对照相比，节水75mm，与当地大田灌溉定额540mm相比，节水180mm，节水效果显著。

（5）研究过程中发现，垄作春小麦各处理成穗数均低于对照，这在一定程度上弱化了垄作春小麦的增产效果，在实际生产中应注意提高播种质量，确保基本苗，增加田间成穗数，使垄作春小麦增产优势得以充分发挥。